5G时代3个射频技术趋势:使用氮化镓缩小芯片尺寸,采模块化加速手机上市

日常生活中任何“不用线”的电器产品,从电视遥控器、保全系统到小型设备如智能手机、iPad,都需要“射频”,年复合增长率高达8%,其中,涨幅最大的部分是射频前端Tuner零件,市场规模将从2018年的5亿美元上升到2025年的12亿美元,年复合增长率达13%。

日本、美国垄断全球射频市场,占比85%

全球射频前端市场集中度高,主要由日美大厂垄断,前四大厂商占据全球85%的市场占有率,分别为Skyworks的24%、Qorvo的21%、Avago(博通) 的20%,及村田的20%。

各国采用毫米波,暂缓Sub 6GHz

在5G初期发展阶段,中、日、韩、欧选择Sub 6GHz方案,美国则是从mmWave(毫米波)转向Sub 6GHz方案。因为mmWave技术尚未成熟,零部件成本高,即使高通推出的下一代5G解决方案能够兼容,但是技术尚不成熟通信品质不够稳定,另一方面毫米波基础建设成本高,若无法完全覆盖,则无法达到5G理想境界,这是世界各国暂先发展Sub 6GHz的主因之一。

编按:“Sub 6GHz”是新的频段,由目前4G的频段改良出来,它的穿透性强,混凝土跟玻璃都没问题。如果这么好用,那目前为什么各国要暂缓发展呢?简单来说,因为有太多技术也落在这个频段,像是Wi-Fi、蓝牙、卫星广播、微波炉,所以这个频段变得“拥挤”了。

编按:“Sub 6GHz”是新的频段,由目前4G的频段改良出来,它的穿透性强,混凝土跟玻璃都没问题。如果这么好用,那目前为什么各国要暂缓发展呢?简单来说,因为有太多技术也落在这个频段,像是Wi-Fi、蓝牙、卫星广播、微波炉,所以这个频段变得“拥挤”了。

模块化“射频”将全面加速中高低端手机产品制程

首先就是模块化。射频前端模块化是产业发展趋势,苹果等一线旗舰机型使用大量模块化射频零部件。射频前端各类零件独立制作相对容易,一旦要集成成单一芯片,厂商就要具备强大的射频设计能力。

而射频模块化将带来不少优势,如解决多频段带来的射频复杂性挑战,提供全球载波聚合模块化平台,缩小RF组件体积,加速手机产品上市时间等。

特别的是,mmWave模块化是采取AiP模块方案,使射频前端模块集成天线及射频前端功能。AiP是利用封装材料与工艺将天线与芯片集成封装,实现系统级无线功能的技术,具备缩短路径损耗、性价比高、符合小型化趋势等优点。从AiP产业链结构来看,主要的模块设计方案厂商是高通、三星,主要制造和封测厂商则有台积电、日月光等。

目前模块化在高端旗舰机型较常见,中、低端手机大多独立制作,只有少部分零件有做集成,不过随着成本下滑,射频模块化也会开始向中、低端手机渗透。

未来采用效率高的氮化镓(GaN)做半导体原料

第二个趋势则是PA材料改采氮化镓(GaN)。目前射频PA材料可以分为CMOS、GaAs、GaN。以CMOS制成的PA早于2000年就已经出现,在2G时代进入手机市场,目前大多数电子产品中的零件都是基于硅的标准CMOS工艺制作,技术成熟且产能稳定,但已无法因应现今通信传输需求。

而GaAs材料(砷化镓)可适用于超高速、超高频电子零部件,比硅零件更适合应用在高功率的场合。目前移动通信3G/4G主要采用GaAs材料制作PA,与第三代半导体材料GaN相比,GaAs技术成熟稳定可靠,仍是民用商业市场主流。

但作为第三代半导体原料GaN则能实现更高的电压,减少损耗,可提升效率,进一步缩减芯片尺寸,现阶段最大劣势只是成本过高。因此在军用,及大型基站GaN已经是主流。随着技术演进加速,未来GaN将有机会渗透至手机市场,成为高射频、大功耗应用的主流方案。

第三个趋势则是滤波器将从金属腔体朝陶瓷介质转变。基地站的滤波器在2G、3G和4G时代的主流由金属腔体滤波器为主。金属腔体滤波器由金属整体切割而成,因此结构牢固,但缺点就是体积大,损耗高。

但进入5G时代为因应越来越复杂的无线干扰环境,金属腔体已受到限制,而陶瓷介质滤波器应运而生。陶瓷材料损耗更低、介电常数更高、频率温度系数和热膨胀系数更小,所以可以承受更高功率。就结果而论,陶瓷介质滤波器体积小,损耗小,现阶段最大缺点就是成本高。但随着新建5G基站数量增加,3G/4G基站数量趋于饱和,金属腔体滤波器比重将减少,陶瓷介质滤波器渗透有望加速。

预期相关企业将会在5G射频发展中受益

随着2G到5G,频段数量大幅增加,技术的演变带给PA和滤波器产业全新的挑战。为了适应5G的需求,射频前端朝模块化迈进,而目前具备这技术实力的仍以日、美大厂Skyworks、Qorvo、Avago、村田等为主,这个趋势短期时间内难以改变。而环绕在这些大厂的相关企业则是有望在这波5G射频发展浪潮中先行受益。